ВсОШ 2024, 9–10 классы, №Н-7
Сильно гигроскопичная, стабильная и по некоторым данным сладковатая на вкус жидкость кристаллизуется с образованием крупных кристаллов, которые медленно растворяются в холодной ) воде. бурно реагирует с натрием с выделением газа (р-ция , а также вступает в реакцию с гидридом лития, давая газ Б (р-ция . В лаборатории была найдена недостаточно плотно закрытая банка, надпись на которой содержала лишь обозначения элементов, тогда как все индексы стерлись. На основании символов элементов было высказано предположение, что в банке хранилась жидкость . Для проверки этой гипотезы содержимое банки исследовали с помощью масс-спектрометрии в области положительных ионов (рисунок ниже).
Из показанного фрагмента масс-спектра однозначно не следовало, что образец содержал именно , поэтому провели более детальный, но при этом более трудоемкий анализ. В первом опыте образец жидкости из банки при обработали избытком пентафторида брома (р-ция и продукты сконденсировали с помощью жидкого азота. Смесь немного отогрели и испарили газ , которым затем подействовали на углеродный стержень при (р-ция , получив газ Г, который исследовали массспектрометрически (масс-спектр на рисунке ниже).
Во втором опыте такой же образец жидкости из банки испарили и при температуре пропустили над урановыми стружками, предварительно промытыми концентрированной азотной кислотой (р-ция , получив газообразный продукт (р-ция , который, по данным масс-спектрометрии, оказался газом с примесью газа Б. Полученных экспериментальных данных оказалось достаточно, чтобы установить, что в банке действительно содержалась с небольшой примесью воды. Задания:
Вопрос 7. Сделайте отнесение всех пиков в приведенных масс-спектрах.
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 8. Напишите уравнения реакций – .
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Вопрос 9. Приведите формулы всех частиц (молекул и ионов), которые присутствуют в водном растворе .
Ответ приведите в полном решении в конце задачи.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
. Рассмотрим масс-спектр газа Г. Максимальный пик имеет = . Наиболее вероятно, что этот ион однозарядный. С учетом того, что Г получается при действии газа на углеродный стержень, разумно предположить, что Г – это углекислый газ . Тогда газ – это кислород (Ткип = , испаряющийся из смеси продуктов р-ции при отогревании смеси немного выше температуры кипения жидкого азота . Сделаем отнесение пиков в масс-спектре (см. таблица). Максимальный пик (m/z – молекулярный ион , полученный ионизацией углекислого газа. Малоинтенсивный пик с = – такой же ион, но содержащий более тяжелый изотоп углерода . Малая интенсивность отражает его содержание в естественном углероде. Слабый пик с = (половина от отвечает двухзарядному иону . Ионы, имеющие , и – соответственно, продукты фрагментации исходного .
| частица | |
|---|---|
Кислород получается при действии (сильный окислитель и фторирующий агент) на жидкость из банки, значит, кислород есть в составе этой жидкости. Обратимся к ее масс-спектру. Максимальный пик имеет = .
Предположим, что он однозарядный, и отвечает, как и в случае , молекулярному иону. В составе этого молекулярного иона, очевидно, может быть лишь один атом кислорода. Тогда оставшиеся а.е.м., учитывая стабильность , могут соответствовать только двум атомам дейтерия. Значит, жидкость в банке – это примесью , а вещество – чистая . Если бы сохранившаяся на банке надпись была « », то неопределенность заключалась бы только в том, какой изотоп кислорода там присутствует. Массспектрометрический анализ содержимого банки дал бы однозначный ответ на это (m/z максимального пика либо , и не потребовалось бы проводить дополнительные исследования. Поскольку первичный анализ не дал однозначного ответа, то неопределенными были изотопы обоих элементов, то есть надпись была « ». Максимальный пик = мог соответствовать как , так и , поэтому понадобился анализ на кислород. Во втором опыте с помощью разогретого урана воду (тяжелую с примесью обычной) восстанавливают до смеси и . Поскольку дейтерий в раза тяжелее протия, то масс-спектрометрический анализ полученной смеси наиболее точный. За счет высокой степени изотопного обмена содержание будет ничтожным, а реально детектируемыми в смеси будут и , что отражается в результатах анализа. Если школьники не знают об изотопном обмене водорода, они могут к этому прийти, сопоставляя результаты масс-спектрометрии газовой смеси и продукты реакции (чистой с натрием (выделяется = и гидридом лития (выделяется Б = . Сделаем отнесение пиков в масс-спектре жидкости из банки с примесью . В приведенном фрагменте масс-спектра присутствуют сигналы ионов, полученных ионизацией молекул , и , сигналы соответствующих протонированных (дейтерированных) форм , , и и сигналы частиц, полученных при фрагментации , и .
| частица | |
|---|---|
| ; | |
| ; | |
| ; | |
. реакция 1
реакция 2
реакция 3 (принимается реакция с )
реакция 4
реакция 5 Уран – достаточно активный металл, поэтому на воздухе он быстро покрывается оксидной пленкой. Для ее удаления стружки промыли азотной кислотой.
реакция 6
реакция с примесной водой и изотопный обмен с большим избытком
. В водном растворе тяжелой воды присутствуют как молекулы , , так и ионы, образующиеся при их диссоциации, , , , . Важно также не забыть про изотопный обмен и упомянуть частицы , , . Итого, частиц.